相關(guān)申請(qǐng)的參考文獻(xiàn)

本案依據(jù)35 USC 119(e)，參照美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案申請(qǐng)?zhí)?61/560822，申請(qǐng)日:2011年11月7日，其公開(kāi)內(nèi)容引入本文作為參考并主張所述臨時(shí)申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明在一些實(shí)施例中涉及一種復(fù)合材料積層制造(Additive Manufacturing,AM)，尤其但不限于一種基于斷層攝影以物理重建一物體，如一人體部位的復(fù)合材料積層制造。

背景技術(shù)：

積層制造方法是目前習(xí)知用以制造三維物體模型的方法，包括生物器官。積層制造方法或固體自由成型(Solid Freeform Fabrication)為通過(guò)添加劑形成步驟，使任意形狀的結(jié)構(gòu)可以直接從計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)直接制作的一種技術(shù)。任何固體自由成型系統(tǒng)的基本操作包括對(duì)三維物體計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行切片轉(zhuǎn)換成薄的截面，轉(zhuǎn)譯所述切片結(jié)果為二維位置數(shù)據(jù)，并傳送所述數(shù)據(jù)至以逐層方式制造三維物體結(jié)構(gòu)的控制設(shè)備。

利用斷層掃描數(shù)據(jù)的方法，例如由斷層掃描儀或核磁共振影像設(shè)備提供的數(shù)據(jù)以積層制造方法物理性的重建一生物器官為習(xí)知的技術(shù)。斷層數(shù)據(jù)通常包括掃描生物器官的灰階截面圖像數(shù)據(jù)，一般情況下，斷層掃描數(shù)據(jù)以醫(yī)療數(shù)字影像傳輸協(xié)議(Digital Imaging and Communications in Medicine,DICOM)的文件格式提供。

在習(xí)知的物理重建方法，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)以光固化成形法(StereoLithography,STL)用來(lái)轉(zhuǎn)換及/或轉(zhuǎn)譯所述醫(yī)療數(shù)字影像傳輸協(xié)議檔案為三維計(jì)算機(jī)模型檔案，使其可被積層制造設(shè)備所讀取。光固化成型法的文件格式僅描述三維物體的表面幾何狀況而無(wú)法呈現(xiàn)三維物體內(nèi)部任何可能的顏色變化、紋理及/或機(jī)械特性。由于物體內(nèi)部的變化無(wú)法以光固化成型法的文件格式呈現(xiàn)，很多隱含在醫(yī)療數(shù)字影像傳輸協(xié)議檔案中的數(shù)據(jù)將會(huì)在轉(zhuǎn)譯過(guò)程中失去。

美國(guó)專(zhuān)利公告號(hào)US5,768,134，發(fā)明名稱(chēng):以人體部位數(shù)字影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)制造完善醫(yī)學(xué)模型的方法，通過(guò)參考文獻(xiàn)將其整體引述于本案中，描述一方法為以數(shù)字影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，增加一人造功能組件于一人體部位模型，如于斷層掃描影像切片之前。如其中所述，在其余人體部位影像進(jìn)行影像數(shù)據(jù)切片前，所加入的人造功能組件使所有以數(shù)字影像數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)成為可見(jiàn)。其通過(guò)例示的方式描述了所述的功能組件，如一個(gè)開(kāi)口用以指示鉆孔處及鉆孔方向，對(duì)于影像數(shù)據(jù)而言增加的功能為標(biāo)示出圍繞所述人體部位的其他組件。其亦描述由醫(yī)學(xué)用戶(hù)得來(lái)的外部數(shù)據(jù)，增加的功能為使影像數(shù)據(jù)與人造功能組件可讓用戶(hù)得到額外的外部數(shù)據(jù)。

美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)US20100191360，發(fā)明名稱(chēng):使用多成型材料的固體自由成型方法，為多共同發(fā)明人發(fā)明，通過(guò)參考文獻(xiàn)將其整體引述于本案中。描述其中包括一系統(tǒng)與一方法用以使用兩種或以上不同預(yù)定組合的成型材料制造物體，其中所述組合為由不同的成型材料經(jīng)由不同的噴頭配送。不同的成型材料可以被配送于同一層中不同位置或相同位置或鄰近位置進(jìn)行分配，以便形成一種復(fù)合材料。

更有描述一方法用以不需設(shè)計(jì)完整立體結(jié)構(gòu)使用的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件而定義復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，所述方法包括執(zhí)行一布爾比較法(Boolean comparison)于呈現(xiàn)所需復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的位圖與呈現(xiàn)三維物體的光固化成型法格式位圖間，所述方法省略了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件將所需復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制成一位圖的需求，如此可節(jié)省設(shè)計(jì)過(guò)程的時(shí)間與為了設(shè)計(jì)三維物體結(jié)構(gòu)而造成的計(jì)算機(jī)內(nèi)存耗費(fèi)，并且同時(shí)在建構(gòu)過(guò)程中分析三維物體結(jié)構(gòu)。

更進(jìn)一步有描述兩種或以上建構(gòu)及/或成型材料，可包括一非固態(tài)材料，其可為液體、凝膠、膏狀或其他非固態(tài)或半固態(tài)形式。優(yōu)選地，一第二固化材料于制造過(guò)程中可以完全環(huán)繞或包覆所述非固態(tài)材料，當(dāng)完成制程，使所述非固態(tài)材料可保存于三維物體內(nèi)部，或可選擇的將其排出、使其燃燒殆盡或是以其他方式除去。以此方式將可產(chǎn)生一空心或多孔的模型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一方面根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，提供了一種系統(tǒng)與方法，用于轉(zhuǎn)換一身體部位的斷層掃描數(shù)據(jù)為可打印的位圖影像并呈現(xiàn)成型材料組合用以使用復(fù)合材料積層制造方式以物理性重建所述身體部位。根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，定義所述斷層掃描數(shù)據(jù)與構(gòu)成身體部位的組織其機(jī)械特性間的一關(guān)聯(lián)性。在一些例示性的實(shí)施例中，用以重建所述身體部位的成型材料組合被定義為可仿真所述斷層掃描數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的不同機(jī)械特性。優(yōu)選地，所述成型材料組合包括一或多預(yù)先設(shè)定的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為增加一種或多種所述身體部位的物理及/或機(jī)械特性。

一方面根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，提供了一種方法，用于使用復(fù)合材料積層制造以物理重建一身體部位，所述方法包括：接收所述身體部位立體像素陣列形式的影像數(shù)據(jù)，各立體像素陣列呈現(xiàn)關(guān)于所述身體部位截面的影像數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)換所述立體像素陣列形式的影像數(shù)據(jù)為可打印的位圖影像，所述位圖影像呈現(xiàn)用以重建所述身體部位的所述成型材料組合；以及對(duì)應(yīng)所述位圖影像以逐層方式配施所述成型材料組合。

優(yōu)選地，所述方法包括定義立體像素陣列中的立體像素值與用以重建所述身體部位的目標(biāo)物理性質(zhì)間的一關(guān)聯(lián)性；定義成型材料組合與其物理性質(zhì)間的一關(guān)聯(lián)性；以及對(duì)應(yīng)于所述立體像素值與目標(biāo)物理性質(zhì)間的所述關(guān)聯(lián)性以及所述成型材料組合與其物理性質(zhì)間的所述關(guān)聯(lián)性，定義所述立體像素值與材料組合間的一關(guān)聯(lián)性。

優(yōu)選地，由一個(gè)或多個(gè)對(duì)照表定義所述關(guān)聯(lián)性。

優(yōu)選地，所述成型材料組合被選擇為基于每一立體像素模擬所述身體部位的機(jī)械特性。

優(yōu)選地，所述立體像素陣列形式的影像數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為一數(shù)字材料的陣列，各數(shù)字材料由至少兩種成型材料的一組合構(gòu)成，所述組合由所述至少兩種成型材料之間的比例定義。

優(yōu)選地，所述立體像素陣列形式的影像數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為一數(shù)字材料的陣列，各數(shù)字材料由一成型材料立體像素的圖形定義，所述圖形由至少兩成型材料構(gòu)成。

優(yōu)選地，所述各數(shù)字材料陣列中的數(shù)字材料由一預(yù)定數(shù)量的成型材料立體像素定義。

優(yōu)選地，所述預(yù)定數(shù)量的成型材料立體像素選自范圍介于10-1000的成型材料立體像素。

優(yōu)選地，不同數(shù)字材料陣列中的數(shù)字材料被定義為具有不同機(jī)械特性。

優(yōu)選地，不同數(shù)字材料被定義為具有不同的彈性特性。

優(yōu)選地，所述不同數(shù)字材料具有一彈性系數(shù)范圍介于0.01兆帕(MPa)至3吉帕(GPa)。

優(yōu)選地，所述數(shù)字材料由一較硬的材料被一液體或一凝膠體環(huán)繞構(gòu)成。

優(yōu)選地，所述影像數(shù)據(jù)是從斷層掃描儀、核磁共振儀與超音波設(shè)備其中的一或多個(gè)接收。

優(yōu)選地，當(dāng)所述影像數(shù)據(jù)由一斷層掃描儀發(fā)出，所述成型材料組合被定義為模擬由所述斷層掃描儀呈現(xiàn)的斷層掃描數(shù)據(jù)的一陣列密度。

優(yōu)選地，所述方法使用一或多種附加材料用以改變重建的所述身體部位的一部分物理外觀。

優(yōu)選地，所述附加材料選自包括染料金屬、離子、陶瓷分子與生物分子組成的一群組。

優(yōu)選地，所述附加材料用以對(duì)應(yīng)于使用者的輸入。

優(yōu)選地，所述方法包括接收一使用者的輸入，以及調(diào)整所述成型材料組合用以以用戶(hù)的輸入為基礎(chǔ)重建所述身體部位。

一方面根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，提供了一種系統(tǒng)，用于使用復(fù)合材料積層制造以物理重建一身體部位，所述系統(tǒng)包括：一控制器，操作用于接收所述身體部位其立體像素陣列形式的影像數(shù)據(jù)，所述各立體像素陣列呈現(xiàn)所述身體部位截面的影像數(shù)據(jù)；一處理單元，操作用以轉(zhuǎn)換所述立體像素陣列形式的影像數(shù)據(jù)為可打印的位圖影像，表現(xiàn)用以重建所述身體部位的所述成型材料組合；以及一復(fù)合材料積層制造裝置，對(duì)應(yīng)所述位圖影像以逐層方式配施所述成型材料組合。

優(yōu)選地，所述處理單元操作用以定義所述立體像素陣列中的一立體像素值與用以重建所述身體部位的目標(biāo)物理性質(zhì)間的一關(guān)聯(lián)性；用以定義成型材料組合與其物理性質(zhì)間的一關(guān)聯(lián)性；對(duì)應(yīng)于所述立體像素值與目標(biāo)物理性質(zhì)間的所述關(guān)聯(lián)性以及所述成型材料組合與其物理性質(zhì)間的所述關(guān)聯(lián)性，定義所述立體像素值與材料組合間的一關(guān)聯(lián)性。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)包括一儲(chǔ)存單元，儲(chǔ)存至少一對(duì)照表、數(shù)據(jù)庫(kù)或方程式用以定義所述立體像素陣列中的立體像素值與所述身體部位的機(jī)械特性間的一關(guān)聯(lián)性。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)包括一儲(chǔ)存單元，儲(chǔ)存至少一對(duì)照表、數(shù)據(jù)庫(kù)或方程式用以定義所述立體像素陣列中的立體像素值與所述成型材料組合模擬一所述身體部位的機(jī)械特性間的一關(guān)聯(lián)性。

優(yōu)選地，操作所述處理單元基于每一立體像素模擬所述身體部位的機(jī)械特性用以選擇成型材料組合。

優(yōu)選地，操作所述處理單元用以轉(zhuǎn)換所述立體像素陣列形式的影像數(shù)據(jù)為一數(shù)字材料陣列，各數(shù)字材料由至少兩種成型材料的一組合構(gòu)成，所述組合由所述至少兩種成型材料之間的比例定義。

優(yōu)選地，所述各數(shù)字材料陣列中的數(shù)字材料由一預(yù)定數(shù)量的成型材料立體像素定義。

優(yōu)選地，所述預(yù)定數(shù)量的成型材料立體像素選自范圍介于10-1000的成型材料立體像素。

優(yōu)選地，不同數(shù)字材料陣列中的數(shù)字材料被定義為具有不同機(jī)械特性。

優(yōu)選地，所述數(shù)字材料由一較硬的材料被一液體或一凝膠體環(huán)繞構(gòu)成。

優(yōu)選地，所述數(shù)字材料為具有一次毫米微距立體像素的單位尺寸。

優(yōu)選地，所述影像數(shù)據(jù)是從至少一影像設(shè)備群組接收，所述影像設(shè)備群組選自一斷層掃描儀、核磁共振儀與超音波設(shè)備其中的一或多個(gè)。

優(yōu)選地，所述可打印的位圖像包括增加一或多附加材料至所述成型材料組合的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述附加材料選自包括染料金屬、離子、陶瓷分子與生物分子組成的一群組。

除非另有定義，本發(fā)明使用的所有技術(shù)和/或科學(xué)用語(yǔ)與任何熟習(xí)本發(fā)明所屬之技藝者所理解的意義是相同的。雖然也可利用與本說(shuō)明書(shū)所述相似或等效的任何方法及材料來(lái)實(shí)行或測(cè)試本發(fā)明，例示性的方法及材料如下所述，若遇用語(yǔ)不一致時(shí)，以本發(fā)明說(shuō)明書(shū)(包括定義)為準(zhǔn)。此外，該材料、方法及實(shí)施例僅舉例而非用以限制。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明某些實(shí)施例敘述如下，僅作為例示性使用，并配合附圖，現(xiàn)在具體參考詳細(xì)附圖，需要強(qiáng)調(diào)的是文中細(xì)節(jié)為例示性，通過(guò)實(shí)施方式說(shuō)明與討論方式達(dá)到闡明本發(fā)明的目的，在這點(diǎn)上，結(jié)合附圖將使的本發(fā)明的實(shí)施方式更可為本發(fā)明所屬之技藝者所理解并可據(jù)以實(shí)施。

附圖如下:

圖1為本發(fā)明依照某些例示性實(shí)施例使用復(fù)合材料積層制造一身體部位的系統(tǒng)簡(jiǎn)易方塊圖；

圖2為本發(fā)明依照某些例示性實(shí)施例使用復(fù)合材料積層制造一身體部位的方法簡(jiǎn)易流程圖；

圖3為本發(fā)明依照某些實(shí)施例由一斷層掃描儀取得用以制造一身體部位的脊椎模型供使用復(fù)合材料積層制造的影像數(shù)據(jù)切片示意圖；

圖4A、4B、4C、4D與4E為本發(fā)明依照某些實(shí)施例的表示不同數(shù)字材料的圖形示意圖；

圖5A、5B與5C為本發(fā)明依照某些實(shí)施例數(shù)字材料的間格結(jié)構(gòu)中一液態(tài)材料被橡膠類(lèi)材料所環(huán)繞示意圖；

圖6A與6B為本發(fā)明依照某些實(shí)施例以一軟性材料與一剛性材料組成一數(shù)字材料的校準(zhǔn)曲線示意圖；以及

圖7A與7B為使用習(xí)知積層制造方法重建一手部示意圖(圖7A)以及本發(fā)明依照某些實(shí)施例使用一方法示意圖(圖7B)。

具體實(shí)施方式

于本發(fā)明的一些實(shí)施例中，涉及復(fù)合材料積層制造，尤其但不限于一種基于斷層攝影以物理重建一物體，如一人體部位的復(fù)合材料積層制造。

在習(xí)知方法中，以斷層掃描及/或影像數(shù)據(jù)制造軀體部位的實(shí)體模型，一閥值方法典型的被用在辨識(shí)及/或區(qū)分不同組織的影像數(shù)據(jù)，如肌肉組織和骨骼組織的成像。一旦確認(rèn)，各被確認(rèn)組織的輪廓被定義并使用多邊形化檔案及/或光固化成形檔案為基礎(chǔ)用以建構(gòu)欲模型化組織的三維計(jì)算機(jī)模型。于所述過(guò)程中，影像數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)所述組織內(nèi)部各種變化及/或組織接口之間逐漸逸失及/或被拋棄的變化。所述光固化成形檔案典型的被用來(lái)產(chǎn)生被確認(rèn)組織的組合模型，即使以前述方法為基礎(chǔ)，各不同的組織可以由不同的復(fù)合材料重建，惟缺乏模擬各項(xiàng)特性變化的信息，如在單一組織及/或在組織接口間的特性。

本案發(fā)明人提出透過(guò)應(yīng)用更多的斷層掃描去額外重建及/或復(fù)制軀體部位上自然發(fā)生的漸層及變化可以更好的復(fù)制或重建軀體部位模型的外觀及機(jī)械感知。本案發(fā)明人更提出一軀體部位的多機(jī)械特性可以由相關(guān)聯(lián)的斷層掃描數(shù)據(jù)復(fù)制到一模型，如斷層掃描數(shù)據(jù)與軀體部位已知的機(jī)械特性，而后在立體像素階段定義不同材料的組合以復(fù)制指定的機(jī)械特性。

一方面根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，提供了一種系統(tǒng)與方法，用以使用復(fù)合材料積層制造方式以物理性重建一身體部位，而一材料復(fù)合物及/或一軀體部位模型的外表由每個(gè)立體像素決定或更改。一般情況下，三維影像數(shù)據(jù)如斷層掃描數(shù)據(jù)，由一醫(yī)學(xué)顯影設(shè)備如斷層掃描儀、核磁共振顯影儀(MRI)、超音波設(shè)備與光學(xué)掃描儀所產(chǎn)生的三維影像數(shù)據(jù)為來(lái)自立體像素矩陣或多層切片，各層切片包括一二維立體像素陣列，立體像素?cái)?shù)據(jù)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的形式由其所來(lái)自的影像設(shè)備而定，如斷層掃描儀提供密度數(shù)據(jù)，核磁共振顯影儀提供氫原子濃度信息。根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，所述由一或更多影像設(shè)備取得的立體像素信息是與組織的機(jī)械特性具有關(guān)聯(lián)的。在某些例示性的實(shí)施例中，立體像素信息是有關(guān)于組織的硬度及/或柔軟度的。一般而言，于所述斷層掃描立體像素?cái)?shù)據(jù)與組織的機(jī)械特性間具有一關(guān)聯(lián)性是確定基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及/或已知的組織機(jī)械特性，如已知骨骼和韌帶的機(jī)械特性。

根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，斷層掃描立體像素?cái)?shù)據(jù)可被復(fù)合材料積層制造設(shè)備所使用且不需一計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)重建第一道軀體部位的計(jì)算機(jī)模型，舉例來(lái)說(shuō)，一光固化成形(STL)檔案。在某些例示性的實(shí)施例中，一點(diǎn)陣圖檔案的產(chǎn)生是用于各影像數(shù)據(jù)的切片，并用以輸入至復(fù)合材料積層制造設(shè)備以取代光固化成形檔案。根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，于積層制造過(guò)程中，一斷層數(shù)據(jù)切片中不同的立體像素值被轉(zhuǎn)換為不同的材料組合。一般而言，各影像數(shù)據(jù)的立體像素被轉(zhuǎn)換成巨立體像素，其由多打印立體像素構(gòu)成，如10-1000立體像素或300立體像素的建構(gòu)材料。本案發(fā)明人提出通過(guò)改變斷層掃描立體像素值的材料組成，不同組織中更自然的物理表現(xiàn)是可以被重制的，包括不同類(lèi)型組織間平滑的切換。

本案發(fā)明人亦提出點(diǎn)陣圖與點(diǎn)陣圖間的轉(zhuǎn)換更快、運(yùn)算效率更高且所需求的軟件更少，因沒(méi)有必要在點(diǎn)陣圖的光柵中來(lái)回，與光固化成形方式共同進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，附加的信息可以點(diǎn)陣圖格式被加入并產(chǎn)生一積層制造檔案，如由醫(yī)生或使用者提供包括色彩信息、器官種類(lèi)及/或其他可手動(dòng)輸入的信息。可選擇地，不同區(qū)域軀體部位的色彩及透明度都可以被獨(dú)立控制以提供活體器官的外表精準(zhǔn)的光學(xué)仿真?？蛇x擇地，來(lái)自一或多影像設(shè)備的影像數(shù)據(jù)可以被結(jié)合并產(chǎn)生所述點(diǎn)陣圖檔案作為輸入復(fù)合材料積層制造設(shè)備中使用。

可選擇地，一自動(dòng)或人工輔助算法可以被用來(lái)增加一或多個(gè)可能于斷層掃描數(shù)據(jù)中失去的重建特征的數(shù)據(jù)，例如由于掃描造成的分辨率不足。舉例來(lái)說(shuō)，上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞由于尺寸過(guò)小的關(guān)系，通常于斷層掃描中無(wú)法被看見(jiàn)。然而，他們的位置可以被定義為器官外邊界及/或內(nèi)邊界而上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞可被加入于重建器官的數(shù)據(jù)中?？蛇x擇地，一自動(dòng)或人工輔助算法可以被用來(lái)增加附加數(shù)據(jù)以改善外觀及/或機(jī)械感知及/或模型的穩(wěn)定性。可選擇地，附加數(shù)據(jù)定義一特定組織、器官或區(qū)域的顏色，在其他實(shí)施例中，結(jié)締組織可以被自動(dòng)辨識(shí)，特別在其與不同組織連接的時(shí)候(如骨骼與軟組織)?？蛇x擇地，所述區(qū)域可以使用凝膠或類(lèi)似凝膠的材料構(gòu)成，例如使介于組織間的支撐材料具有更好的延展性，可做為外科手術(shù)時(shí)的訓(xùn)練或其他教育用途。

根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，所述復(fù)合材料積層制造操作時(shí)須至少兩種材料，如一軟性材料與一剛性材料?？蛇x擇地，一或多個(gè)對(duì)照表用于將所述影像數(shù)據(jù)與點(diǎn)陣圖檔案數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)，并以影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)定義材料的構(gòu)成?？蛇x擇地，建立影像數(shù)據(jù)與手動(dòng)定義實(shí)驗(yàn)過(guò)后相關(guān)的一或多影像數(shù)據(jù)值的材料組合間的一關(guān)聯(lián)性。

可選擇地，所述復(fù)合材料積層制造設(shè)備可使用附加材料，所述附加材料在整個(gè)積層制造過(guò)程中保持液態(tài)，所述液態(tài)材料可正確的重制及軟組織及/或體液，如血液或淋巴液。所述材料可以是不透明或透明的及/或視應(yīng)用所需特定顏色。此外，所述積層制造設(shè)備可利用附加染色及/或透明的材料調(diào)整合成器官不同區(qū)域的外觀。

根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，一復(fù)合材料積層制造打印機(jī)，如以色列Objet公司的Connex^TM系統(tǒng)，用以運(yùn)用兩種不同不同機(jī)械特性與不同外觀的材料來(lái)制造一身體部位的模型，如一不透明剛性材料與一透明軟性材料。在某些例示性實(shí)施例中，一身體部位的模型是由不透明剛性材料作為呈現(xiàn)密度大的材料如骨骼，而以透明軟性材料呈現(xiàn)軟及/或流體組織。一般而言，兩種或以上的成型材料可被用來(lái)設(shè)計(jì)成多種不同光譜特性的數(shù)字材料，如范圍介于硬質(zhì)骨骼與軟流體組織間。

請(qǐng)參閱圖1，為為例示性實(shí)施例的系統(tǒng)簡(jiǎn)易方塊圖，而圖2為例示性實(shí)施例的方法簡(jiǎn)易流程圖，皆對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)本發(fā)明使用復(fù)合材料積層制造設(shè)備產(chǎn)生一身體部位的某些實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，一系統(tǒng)100接收來(lái)自影像設(shè)備110的所述身體部位的三維影像數(shù)據(jù)，如斷層掃描儀、核磁共振儀、超音波設(shè)備或光學(xué)掃描儀(圖2方塊210)。一般而言，所述影像數(shù)據(jù)由多二維影像構(gòu)成，各二維影像分別呈現(xiàn)所述身體部位的斷層切片。一般而言，各二維影像的切片為一具有結(jié)構(gòu)相關(guān)及/或身體組織材料特性的二維立體像素?cái)?shù)組數(shù)值，如組織密度。一般而言，不同的立體像素值提供不同身體組織間的影像對(duì)比，且所述立體像素亦可用以判斷材料及/或在各三維立體像素位置判斷所述身體部位的物理特性。

可選擇的是，系統(tǒng)100的處理單元125分類(lèi)有關(guān)欲制造模型的身體部位所擷取的影像數(shù)據(jù)(圖2方塊215)。一般而言，處理單元125與系統(tǒng)100的一控制器1250連接?？商鎿Q的是，所述分類(lèi)可以由影像設(shè)備110執(zhí)行。一般而言，處理單元125執(zhí)行影像后制處理，更進(jìn)一步增強(qiáng)影像的一或多特征，如三維影像及/或單獨(dú)影像切片?？蛇x擇的是，影像數(shù)據(jù)可由多不同影像設(shè)備110所取得，處理單元125結(jié)合由不同影像設(shè)備110所取得的影像數(shù)據(jù)?？蛇x擇的是，多影像設(shè)備110的輸入更進(jìn)一步增加不同身體軟組織間的對(duì)比性?？蛇x擇的是，后制處理用以于不同影戲切片中平滑的輸出不同影像數(shù)據(jù)間的差異。

可選擇的是，處理單元125除了接受影像數(shù)據(jù)，一用戶(hù)可藉由用戶(hù)輸入設(shè)備115提供額外數(shù)據(jù)，可選擇的是，一使用者針對(duì)一身體部位確定的組織及/或器官選擇一色彩及/或透明程度?？蛇x擇的是，用戶(hù)可增加一區(qū)別特征以區(qū)別相似的立體像素影像數(shù)值?？蛇x擇的是，使用者可選擇性的采用具三維功能的軟件以查看及/或提供輸入?？蛇x擇的是，用戶(hù)藉由標(biāo)記所述處理單元125顯示的影像及所述處理單元125接收的影像數(shù)據(jù)來(lái)整合用戶(hù)的輸入。

根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，處理單元120使用一或多個(gè)對(duì)照表及/或方程式或函數(shù)120以轉(zhuǎn)換原始立體像素值，如影像數(shù)據(jù)的灰階值轉(zhuǎn)換為材料數(shù)據(jù)以打印所述身體部位的模型(圖2方塊225)。于本發(fā)明某些例示性實(shí)施例中，所述身體部位模型的各影像數(shù)據(jù)其立體像素由多建構(gòu)材料/秒的立體像素制造，如10-1000立體像素或300立體像素的建構(gòu)材料。如本發(fā)明所用，數(shù)字材料為一由不同種類(lèi)建構(gòu)材料組成一預(yù)定數(shù)量的立體像素材料，并被以連續(xù)方式沉積且可選擇性的積層制造建構(gòu)過(guò)程中于固化以形成一第三材料(如一數(shù)字材料)。提供各材料間不同的特性以取得具有一特性范圍介于各原始材料間并依照空間組合與不同比例組合的復(fù)合材料組合?？蛇x擇的是，所述數(shù)字材料形成于多印刷層上?？蛇x擇的是，所述數(shù)字材料組合為預(yù)定數(shù)量的而非虛擬隨機(jī)的組合。本實(shí)施例中各區(qū)域具有一相同的影像立體像素值，其并由對(duì)應(yīng)一對(duì)照表中立體像素值的一預(yù)定組成物組成的點(diǎn)陣圖取代。可選擇的是，當(dāng)立體像素影像數(shù)據(jù)高于建構(gòu)材料立體像素，可采用一種不同的方法，如誤差傳遞遞色法可被使用。

可選擇的是，一支撐材料可部分使用于數(shù)字材料組合中。數(shù)字材料將于文后有更詳細(xì)敘述，如參照?qǐng)D4A到4E。可選擇的是，數(shù)字材料的特性被定義為接近于所述組織影像的材料及/或物理特性。一般而言，模型材料特性的變化可以藉由改變各立體像素構(gòu)成所述數(shù)字材料的組成及/或比例為基礎(chǔ)改變。一般而言，一或多對(duì)照表及/或方程式120儲(chǔ)存于系統(tǒng)100的一儲(chǔ)存單元1200中?？蛇x擇的是，所述對(duì)照表為一數(shù)據(jù)庫(kù)，如建構(gòu)材料數(shù)據(jù)庫(kù)。可選擇的是，當(dāng)所述影像數(shù)據(jù)以灰階形式呈現(xiàn)，所述對(duì)照表提供介于灰階值與材料組成間的一關(guān)聯(lián)性。舉例來(lái)說(shuō)，一128的灰階可選擇性的對(duì)應(yīng)30％的標(biāo)準(zhǔn)材料與70％的剛性材料。

根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，一光譜檔案(130)包括以同一時(shí)間同層打印的模型為基礎(chǔ)(圖2方塊240)，一由各影像數(shù)據(jù)切片并傳送至復(fù)合材料積層制造設(shè)備140(圖2方塊230)的數(shù)字材料點(diǎn)陣圖。一般而言，一影像數(shù)據(jù)的切片由多印刷層重制，如5-20層印刷層。一般而言，多的光譜檔案，如一個(gè)用于影像數(shù)據(jù)切片的光譜檔案被傳送至復(fù)合材料積層制造設(shè)備用以打印所述身體部位150的完整模型。

根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，復(fù)合材料積層制造設(shè)備140配備至少兩種建構(gòu)材料，各具有不同機(jī)械特性，如建構(gòu)材料142及建構(gòu)材料144可以以不同的比例及/或圖形噴印以仿真光譜的機(jī)械性能用以重制身體部位的各種特性?？蛇x擇的是，復(fù)合材料積層制造設(shè)備140配備有附加材料，如材料146可單獨(dú)使用于建構(gòu)材料142及建構(gòu)材料144之外以模擬色彩，如一染劑及/或身體部位不同區(qū)域的透明程度，或增加其他身體部位物理特性?？蛇x擇的是，附加的材料于醫(yī)學(xué)顯影中用以仿真對(duì)比對(duì)象的空間分布。附加材料可包括如金屬、離子、陶瓷分子、生物分子與其他活性物質(zhì)。

請(qǐng)參閱圖3，為本發(fā)明依照某些實(shí)施例由一斷層掃描儀取得用以制造一身體部位的脊椎模型供使用復(fù)合材料積層制造的影像數(shù)據(jù)切片示意圖。根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，一脊椎模型(或部分脊椎)由多影像構(gòu)成并取自于人體的一或多斷層掃描影像切片320。一般而言，斷層掃描影像包括由高密度材料反射的亮區(qū)321及由低密度結(jié)構(gòu)反的暗區(qū)323，如由二維斷層掃描數(shù)據(jù)數(shù)組定義的軟組織或液態(tài)材料。

可選擇的是，所述斷層掃描數(shù)據(jù)可能與被掃描組織的對(duì)應(yīng)區(qū)域其楊氏系數(shù)以及由一剛性及/或一硬性建構(gòu)材料與一軟性材料建構(gòu)而成的脊椎模型其影像相關(guān)，如不同比例的彈性及/或塑料建構(gòu)材料?？蛇x擇的是，亮區(qū)321由高比例的剛性及/或硬性建構(gòu)材料成型，而暗區(qū)323則由高比例的軟性及/或塑料建構(gòu)材料成型。一般而言，一介于兩或以上建構(gòu)材料間用以將各立體像素成型的比例被由一立體像素的斷層掃描數(shù)據(jù)以及已知最堅(jiān)硬材料與最柔軟材料成像的機(jī)械特性所定義?？蛇x擇的是，剛性材料的硬度被選擇為相近或大于所要仿真最硬組織的硬度，而軟性建構(gòu)材料的硬度被選擇為接近或小于最柔軟材料的硬度。通過(guò)改變所述介于兩或以上建構(gòu)材料間的比例，可以模擬較廣的光譜的機(jī)械特性。

可選擇的是，在整個(gè)積層制造過(guò)程中保持液態(tài)的附加材料可被用來(lái)仿真最暗的區(qū)域?？蛇x擇的是，液體材料用以仿真極軟組織及/或體液，如血液或淋巴液。使用的建構(gòu)材料可為不透明或透明及/或配合應(yīng)用需求具特定色彩。此外，所述積層制造系統(tǒng)可利用附加有色及/或透明材料調(diào)整所述模型不同區(qū)域的外觀。

可選擇的是，可以在一模式中形成膠體區(qū)域以仿真軟組織或內(nèi)皮細(xì)胞表面的特性，如覆蓋器官表面的上皮組織?？蛇x擇的是，一親水性紫外線硬化樹(shù)脂可用以形成親水性材料。可選擇的是，當(dāng)浸入水溶液中時(shí)，所述材料會(huì)吸收水分與膨脹形成光滑柔軟的凝膠用以仿真身體的自然軟組織，如上皮組織。

請(qǐng)參考圖4A、4B、4C、4D及4E，為本發(fā)明依照某些實(shí)施例的表示不同數(shù)字材料的圖形示意圖。根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例，一數(shù)字材料為小體積構(gòu)成的材料，如不同建構(gòu)材料410與420的液滴在積層制造建構(gòu)過(guò)程中同時(shí)噴印并可選擇性的固化。所述數(shù)字材料可以以單位晶格或巨立體像素的尺寸形成。所述單位晶格及/或巨立體像素此處定義為最小體積的數(shù)字材料，并具有數(shù)字材料定義的材料特性?？蛇x擇的是，所述巨立體像素的單位尺寸對(duì)應(yīng)所述影像數(shù)據(jù)中一立體像素的單位尺寸。

一般而言，不同的建構(gòu)材料具有不同的機(jī)械特性，如硬度、彈性、密度、色彩、透明度、吸水率(％)、溶液吸收率(％)、非聚合液體組成及奈米顆粒組成?？蛇x擇的及/或額外的，一數(shù)字材料由不同建構(gòu)材料被噴印于多不同層所形成。在某些例示性實(shí)施例中，一數(shù)字材料的機(jī)械特性由一不同建構(gòu)材料間組成數(shù)字材料的比例而定。在某些例示性實(shí)施例中，一數(shù)字材料定義為具有一單位尺寸為一毫米或一次毫米巨立體像素，且各巨立體像素包括數(shù)十或數(shù)百個(gè)所述建構(gòu)材料噴印的液滴，如10-1000個(gè)巨立體像素。

在某些例示性實(shí)施例中，構(gòu)成模型的所述幾何及/或空間圖形可以根據(jù)所需求的機(jī)械及/或物理特性進(jìn)行變化噴印。一般而言，所述沉積方式的空間圖形可以是隨機(jī)或虛擬隨機(jī)數(shù)的(圖4D)，也可為某些結(jié)構(gòu)化需求圖形?？蛇x擇的是，一單一建構(gòu)材料，如單一建構(gòu)材料410(圖4A)或單一建構(gòu)材料420(圖4B)可被單獨(dú)使用于重制達(dá)成高階或最高階指定需求。

在某些例示性實(shí)施例中，一身體部位模型可由一硬性及/或剛性材料RGD535^TM,RGD525^TM,720構(gòu)成，其皆由Objet公司生產(chǎn)，Israel and/or軟性材料Objet TangoPlus^TM,TangoBlackPlus^TM,TangoBlack^TM,TangoGrey^TM,其皆由以色列Objet公司生產(chǎn)?？蛇x擇的是，剛性材料的硬度的選擇使用一材料其硬度相近或大于所要仿真最硬組織的硬度，而軟性或彈性建構(gòu)材料的硬度的選擇為使用一材料接近或小于最柔軟材料的硬度。一般而言，身體組織彈性系數(shù)范圍變化介于0.01兆帕(MPa)至3吉帕(GPa)，本發(fā)明人提出當(dāng)以具有身體組織一彈性系數(shù)約為0.01兆帕的一材料及具有身體組織一彈性系數(shù)變化約為3吉帕的另一材料制作模型的過(guò)程中，多數(shù)器官及/或身體部位的機(jī)械行為或特征是可被仿真的。

可選擇的是，所述數(shù)字材料不需要使用一預(yù)先定義圖形的成形材料構(gòu)成，相反的，所述數(shù)字材料可由一介于兩種或以上成型材料間的比例所定義，如原始材料可被隨機(jī)數(shù)隨機(jī)的混和在立體像素打印層。這種情況下因?yàn)閲娪〉牧Ⅲw像素可以根據(jù)混和比例的需求藉由隨機(jī)分派所述立體像素而被實(shí)時(shí)分配，通常對(duì)于計(jì)算機(jī)資源的需求會(huì)顯著降低。另一隨機(jī)數(shù)隨機(jī)混和的優(yōu)點(diǎn)在于噴印可以各切片為基礎(chǔ)而不需Z緩沖去參考替換切片的圖形。

請(qǐng)參閱圖5A、5B與5C，例示性表示數(shù)字材料的間格結(jié)構(gòu)中一液態(tài)材料被橡膠類(lèi)材料所環(huán)繞。在某些實(shí)施例中，一數(shù)字材料單元晶格被定義為一間格，一液體或膠體被一較硬的材料圍繞。不同間格的單元晶格被定義為產(chǎn)生不同的機(jī)械模式。在某些例示性實(shí)施例中，一極軟膠體，如具有壓縮系數(shù)低于0.1兆帕、液體及/或非固化性材料510用以仿真軟組織、結(jié)締組織、血管及其他包含高比例液體的身體器官。本發(fā)明人認(rèn)為在三維對(duì)象制程中或完成后可能會(huì)發(fā)生液態(tài)材料滲漏的情形。在某些例示性實(shí)施例中，藉由形成毫米或次毫米的間格結(jié)構(gòu)使?jié)B漏的情形是可以被避免的，各部分的液體或軟膠材料由其他固態(tài)材料、橡膠類(lèi)建構(gòu)材料或數(shù)字材料所圍繞或包覆，如聚乙二醇400(PEG400)被TangoPlus橡膠類(lèi)材料所包覆。

在某些例示性實(shí)施例中，數(shù)字材料的間格結(jié)構(gòu)由控制整體的橡膠/液體比例、間格的尺寸、間格壁厚度、橡膠類(lèi)材料硬度、導(dǎo)入額外橡膠狀細(xì)絲或分區(qū)所控制以”鞏固”所述液體區(qū)域。可選擇的是，增加的硬度可藉由增加橡膠類(lèi)建構(gòu)材料520的厚度(圖5B和圖5A比較)達(dá)成?？蛇x擇的是，增加的硬度可藉由減小所述間格的預(yù)定尺寸及/或改變多間格的形狀(圖5C)達(dá)成。可選擇的是，如圖5C中三角形的間格較圖5A與圖5B中方型間格更為耐用?？蛇x擇的是，所述間格結(jié)構(gòu)可仿真所述活體細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。

請(qǐng)參閱圖6A與6B，例示性表示一數(shù)字材料由一軟性材料(TangoBlackPlus^TM)與一剛性材料(RGD525^TM)組成的校準(zhǔn)曲線圖，可用以印證本發(fā)明某些實(shí)施例。圖6A為一例示性曲線圖，呈現(xiàn)數(shù)字材料的硬度-A值，提供數(shù)字材料中軟性材料所占體積比例的功能。圖6B為呈現(xiàn)數(shù)字材料的楊氏系數(shù)曲線圖，提供數(shù)字材料中硬性材料所占體積比例的功能。圖上的三角形點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及楊氏系數(shù)曲線呈現(xiàn)典型分析配合?？蛇x擇的是，一分析配合可用來(lái)定義一身體部位中一確定位置的一數(shù)字材料仿真物理特性其成像與組成用以決定一或多物理特性相關(guān)方程式?？蛇x擇的是，使用者輸入以附加地定義一身體部位識(shí)別部分的一物理特性。

請(qǐng)參閱圖7A與7B，例示性表示一手部重建。圖7A表示使用兩種成型材料，黑色材料與透明材料重建一手部，使用光固化成形檔案于習(xí)知積層制造技術(shù)，其黑色材料表示骨骼而透明材料表示非骨骼組織。相較之下，圖7B表示依照本發(fā)明某些實(shí)施例使用一方法與一系統(tǒng)例示性物理重建一手部。如圖7B所示，一重建的手部使用了兩種不同成型材料的組合，包括黑色材料與透明材料。黑色材料使用在最堅(jiān)硬的區(qū)域，而透明材料使用在最柔軟的區(qū)域，兩種材料不同比例組合與空間變化用以重制不同區(qū)域中特性的變化。因此，藉由使用依據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例的系統(tǒng)與方法，骨骼中特性的變化，如關(guān)節(jié)區(qū)域的重制與關(guān)節(jié)區(qū)域的差異性。

值得注意的是，雖然大多數(shù)實(shí)施例已根據(jù)使用一剛性與一軟性材料制造身體部位的一模型進(jìn)行描述，本發(fā)明的實(shí)施例并不限于此方面且相同系統(tǒng)及方法可以使用不同材料用來(lái)制造其他物體的模型。

更應(yīng)注意的是，雖然大多數(shù)實(shí)施例已根據(jù)使用一剛性與一軟性材料制造身體部位的一模型進(jìn)行描述，本發(fā)明的實(shí)施例并不以此為限。本發(fā)明其他實(shí)施例中，一身體部位的模型可以使用一巨多種不同機(jī)械及/或物理特性以模擬身體部位性的建構(gòu)材料組合構(gòu)成。

用語(yǔ)“包括”、“包含”、“具有”及其連接詞系指“包括但不限于”。

用語(yǔ)“由…構(gòu)成”系指“包括但不限于”。

用語(yǔ)“基本上由…構(gòu)成”系指所述組成物、方法或結(jié)構(gòu)可能包括額外的成分、步驟或組件，但只有當(dāng)額外的成分、步驟或組件不實(shí)質(zhì)上改變所請(qǐng)求保護(hù)的組成物、方法或結(jié)構(gòu)的基本或新穎性特征。

如本文所用的術(shù)語(yǔ)“方法”指的是方式、手段、技術(shù)和程序用以完成指定目標(biāo)，包括但不限于所述方式、手段、技術(shù)和程序或?yàn)橐阎摹⒒驈幕瘜W(xué)領(lǐng)域、藥學(xué)領(lǐng)域、生物領(lǐng)域、生化領(lǐng)域及醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中從業(yè)者已知的方法可輕易得知的方式、手段、技術(shù)和程序。

可以理解的是，為清楚起見(jiàn)，本發(fā)明的某些特征于不同實(shí)施例描述，亦可結(jié)合于同一實(shí)施例。相反的，為清楚起見(jiàn)，本發(fā)明于同一實(shí)施例中描述的各種特征，亦可單獨(dú)地或于任何適合的子組合中或于任何本發(fā)明實(shí)施例中描述。在各實(shí)施例中描述的某些特征不被認(rèn)為是那些實(shí)施例中的必要特征，除非所述實(shí)施例中是缺少所述組件而無(wú)法運(yùn)作的。